摘要
中侏罗统西山窑组是吐哈煤田三道岭矿区重要的含煤地层，前人对该区域煤层含气性做了相关研究工作，但对该区域西山窑组煤中微量元素尤其是金属元素富集异常关注不够，为探讨吐哈煤田西山窑组煤富矿元素富集状态，本文对砂墩子井田西山窑组煤层展开微量元素分析测试研究。结果表明：西山窑组煤中金属元素富集状态，Ba、Pb、Mo、V、Ni、Zn处于亏损状态；Co、Be、Ga、W、Li、Cr、Sr、Mn 处于正常范围； Cu处于富集状态；4-1煤层Ti处于高度富集状态，1-1煤层Ti处于异常高度富集状态。本研究探讨了吐哈煤田三道岭矿区西山窑组煤伴生金属元素分布规律及赋存特征，总结了 Ti处于异常高度富集状态的原因，为吐哈煤田煤伴生矿的成矿规律与找矿研究提供新的思路。
Abstract
The Xishanyao Formation of the Middle Jurassic is an important coal bearing formation in the Sandaoling mining area of the Tuha Coalfield. Previous studies have focused on the gas bearing properties of coal seams in this area， but insufficient attention has been paid to the abnormal enrichment of trace elements， especially metal elements， in the Xishanyao Formation coal. In order to explore the enrichment status of enriched elements in the Xishanyao Formation coal seams of the Tuha Coalfield， this article conducts trace element analysis and testing research on the Xishanyao Formation coal seams of the Shadunzi Coalfield. The results show that the metal elements in the coal of Xishanyao Formation are enriched， while Ba， Pb， Mo， V， Ni， and Zn are in a depleted 4-1 coal seam is highly enriched， while the Ti in the 1-1 coal seam is abnormally highly enriched. This study explores the distribution patterns and occurrence characteristics of associated metal elements instate； Co， Be， Ga， W， Li， Cr， Sr， and Mn are within the normal range； Cu are in an enriched state； The Ti in the Xishanyao Formation coal of the Sandaoling mining area in the Tuha Coalfield. It summarizes the reasons for the abnormally high enrichment of Ti， providing new ideas for the mineralization laws and prospecting research of coal associated deposits in the Tuha Coalfield.
Keywords
0 引言
矿产资源在现代社会中具有重要的地位，随着经济不断发展，人们对矿产资源的需求会大幅增长 （杨沈生，2010）。中国矿产资源目前存在着严重的结构性短缺，特别是 21 世纪以后，在大规模和超大规模的开发利用以及消耗情况下，中国的矿产供需关系异常复杂，形势异常严峻（秦江波等，2011；张涛，2013）。
世界上很多地方都发现与煤层伴生的矿产资源，诸如铜、金、铀、铅-锌-银、油气等（王聚杰等， 2015），随着锂矿等稀有金属矿产的经济价值日益凸显，近年来针对煤中金属矿产的研究也越来越多，如2017年宁树正等通过研讨总结提出了煤中金属元素矿产资源的概念（宁树正，2017）；2019 年宁树正等将全国煤中锗、镓等金属元素矿产资源划分为 7 个成矿区带，为煤中金属元素矿产资源研究提供了地质理论依据（宁树正，2019）；代世峰等选择性地总结了煤型铌-锆-稀土-镓矿床的分布特征与成矿机制（代世峰等，2020）。研究煤中伴生的金属矿产，对提高矿产资源开发利用率、保障国家金属矿产资源安全供给具有重要的战略意义（代俊峰等，2021）。
三道岭矿区煤层分布面积广，主要含煤地层为中侏罗统西山窑组（J2x），但前人在三道岭矿区仅针对煤层含气性做了相关研究，指出三道岭煤田煤层具有一定的含气性和储气能力（李保国，2001），尚缺少针对该区域中侏罗统西山窑组煤层金属矿产成矿规律的研究。本研究利用三道岭矿区砂墩子煤矿西山窑组煤样测试分析资料，进行煤中伴生金属元素分布规律及赋存特征的分析研究，为后期该地区煤中伴生金属矿产勘查研究提供一个新的思路与方向。
1 地质背景
三道岭矿区地层区划属天山—兴安岭地层大区（I），北天山地层分区（I5）之吐鲁番地层小区（I53）。矿区位于吐哈盆地的北缘，褶皱断裂活动均较强烈，地层走向、褶曲轴向及断裂走向等构造线总体为北东东向，燕山期构造运动为区内主要构造的形成期和复活期（图1）。
图1研究区区域地质构造图（据崔德广等，2017①）
中侏罗统西山窑组是三道岭矿区主要含煤地层，赋煤面积约370.23 km2，沉积岩相为内陆湖泊相泥炭沼泽相河流相沉积岩层，由灰色、灰黑色的砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩和煤组成，成煤环境为干燥的森林泥炭沼泽氧化环境，发生过森林大火（马荣等，2023）。
研究区砂墩子井田范围内，地表出露与钻孔揭露的中侏罗统西山窑组平均厚度 331.22 m，含煤层13 层，编号由上至下分别为 1-3、1-2、1-1、1-0、4-7、4-6、4-5、4-4、4-3、4-2、4-1、4-0、5 号煤层，煤层总厚 0~32.48 m，平均总厚 20.19 m，含煤系数 6.10%。大部可采较稳定煤层2层，为1-1和4-1号煤层，两层煤层平均间距85m，根据岩性组合与聚煤特征，中侏罗统西山窑组分为上、中、下 3段，2层可采煤层位于该组中段。
研究区总体处于复式背斜的南翼，为一单斜构造，伴有较多断层，局部褶皱发育，地层倾角 6°~12°（图2）。
图2新疆哈密砂墩子井田侏罗系柱状图（据崔德广等， 2017①）
2 采样与测试方法
井田范围内在施工钻孔中对 1-1与 4-1两层可采煤层系统地进行了样品采集（图3、图4），共采集样品 71 组，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），对中侏罗统西山窑组煤中微量元素含量进行了测试，测试方法严格按照 DZ/T 0223-2001《电感耦合等离子体质谱分析方法通则》进行。
3 实验结果
本次元素分析项目有Ba、Co、Be、Pb、Ga、Mo、V、 W、Li、Cr、Cu、Ni、Zn、Sr、Ti、Mn等16种。根据1-1与 4-1煤层样品的微量元素分析数据（表1~表2）计算得到反映煤中地球化学特征的参数，这些元素指标能够很好地反映砂墩子井田中侏罗统西山窑组煤的成矿元素富集情况。不同学者对煤中元素含量异常的判断指标有不同的认识，且随着分析测试水平的发展这一指标也逐渐的变化（代世峰，2002；代世峰等，2005，2006，2007）。本研究采用代世峰等 （2006）提出煤中微量元素含量水平的指标——富集系数（CC，Concentration Coefficient）（公式 1），将煤中微量元素富集程度共分为6个等级。
(1)
式（1）中，CC为煤中微量元素富集系数，m为煤中微量元素含量，n 为世界煤中微量元素含量。
依据上述标准，对砂墩子井田中侏罗统西山窑组 1-1 与 4-1 煤层样品中的 Li、Be、Ba 等 16 种微量元素数据分析（表3），对比 CC 值（世界范围内煤中微量元素）。
检测结果显示砂墩子井田中侏罗统西山窑组煤中 Ba、Pb、Mo、V、Ni、Zn 处于亏损状态；Co、Be、 Ga、W、Li、Cr、Sr、Mn 处于正常范围；Cu 处于富集状态；4-1煤层 Ti处于高度富集状态，1-1煤层 Ti处于异常高度富集状态（图5）。
检测结果为后期对三道岭矿区微量元素的研究指明了方向，建议重点可以对钛Ti、铜Cu（富集状态从多到少顺序）进行地球化学调查。
4 讨论
一般认为，母岩风化、搬运、沉积作用过程中，各种微量元素的地球化学行为及相互间差异是影响煤中各种微量元素富集特征的最基本因素（任德贻等，2006）。微量元素的地球化学循环特征决定了其在煤中含量分布的背景值，在此基础上叠加其他区域性因素，如物源区原岩、变质作用、风化、地下水作用等，才最终形成了现今不同煤田煤中微量元素的分布特征（赵志根和唐修义，2002）。
宁树正（2017）指出，煤中金属元素的空间分布主要受物源区和区域性断裂的控制，其中区域性断裂带不仅对成煤盆地的物源及沉积特征有影响，同时对区域性的岩浆热液活动也具有重要的控制作用，深大断裂发育对区域岩相变化、煤质特征及煤中金属元素地球化学异常等具有重要的控制作用，区域性断裂带附近煤系中常见黄铁矿化、碳酸盐化、硅化等中低温热液蚀变现象，并且在构造的复合部位和主要深大断裂附近表现得尤为明显（王文峰等，2021；赵蕾等，2022）。
图31-1号煤层等厚线图（据崔德广等，2017①）
图44-1号煤层等厚线图（据崔德广等，2017①）
表11-1煤层检测项目微量元素（μg/g）
本研究主要以矿区地质勘查测试资料为主，综合分析前人资料，结合砂墩子矿区 1-1 与 4-1 煤层的成煤环境，探讨Ti元素高度甚至异常高度富集状态的原因，为指导下一步煤系伴生战略性金属找矿工作提供新的思路与方向。
4.1 Ti的载体矿物
钛主要赋存于金红石、榍石、钛铁矿等矿物中，其中金红石分布最为广泛，一般研究认为，金红石的化学性质稳定，且耐风化，即使在高温高压状态下也基本不溶于地幔或俯冲流体，经风化后会残留于物源区。白向飞（2003）观察煤中微粒矿物时发现，金红石是煤中各种次要矿物中最常见的一种，是煤中Ti的最主要矿物形式。从赋存状态判断，金红石不是在泥炭堆积与成岩过程中新形成的，而是由陆源碎屑中难风化部分残留而成。杜晓飞研究了哈密地区金红石矿床成因，指出金红石矿床与海西期岩浆岩及区域变质作用有关（杜晓飞等， 2024），海西期岩浆岩生成富钛基性岩石，同时区域数量众多的断裂为金红石成矿提供了物质运移通道，在区域变质作用下，富钛基性岩石转化为金红石赋存于石炭系地层（李洪涛，2023）。
表24-1煤层检测项目微量元素（μg/g）
表3砂墩子井田侏罗系中统西山窑组煤中元素含量水平分级结果
综上所述，本区 1-1 与 4-1 煤层 Ti 元素高度甚至异常高度富集，其与成煤时期金红石矿物大量供给高度相关，而前述杜晓飞（2024），白象飞（2003）对哈密地区金红石矿床成因的分析可知，哈密地区金红石矿床形成于石炭纪，后期经过热液作用及构造原因 Ti 元素在侏罗纪沉积；据此推测，砂墩子矿区侏罗系煤层1-1与4-1煤层高度富集的Ti元素可能来源于石炭系的金红石矿床，但是Ti元素来源需做进一步测试分析。
4.2 构造与沉积环境
盆地构造背景是物源汇聚体系的主控因素（林畅松，2009；林畅松等，2015），研究砂墩子井田 Ti元素高度富集首先需要了解该区域的地质构造背景与沉积环境。吐哈盆地大地构造位于哈萨克斯坦板块东南部，北临博格达山南缘断裂，南依觉罗塔格北缘大断裂，自西向东分别发育了吐鲁番凹陷、了墩隆起、哈密凹陷（图6）。砂墩子井田位于哈密凹陷。
区域构造对吐哈盆地的形成和发展至关重要，在晚古生代的末期，觉罗塔格山和哈尔里克山逐渐隆起，博格达裂陷褶皱在这一时期也逐渐回返，形成了相对独立的吐哈陆相盆地的雏形，呈现为充填式分隔性断陷盆地。中晚侏罗世为北部类前陆坳陷阶段，此时因为北部博格达山的继续隆升，台北凹陷成为主要的山前坳陷沉降区，台北凹陷的沉积厚度大，其煤层厚度在整个盆地中是最厚的，湖盆及其周围三角洲发育，南部缓坡以辫状河三角洲为主，北缘陡坡发育扇三角洲沉积体系。在西山窑时期，特别是西山窑晚期，盆地开始加速沉降，周边山脉逐渐抬升，为盆地沉积提供了丰富的物源，覆盖于早期沉积之上，使此前形成的煤层得以保存（杨武，2021）。
燕山构造期中，井田内主要受南北挤压应力的影响，地层发生褶皱，同时产生大量断裂。吐哈盆地北高南低，强烈的断裂活动，为盆地北缘的砂墩子井田煤层中大部分金属元素的迁移与富集提供了驱动力和构造条件。根据前述分析，赋存于石炭系的金红石矿体因断层破坏与逆推作用，经风化后，残留在源区，大量沉积于中侏罗统西山窑组中段，最终在砂墩子矿区 1-1 与 4-1 煤层中表现为 Ti 元素高度甚至异常高度富集。
4.3 各元素富集机理
影响各金属元素在砂墩子井田空间分布状态的因素很多，母源物质、成煤环境、区域构造、岩浆热液作用、成煤植物等均有影响。本次研究中，各金属元素富集状态不一，部分处于亏损状态，部分位于正常范围，个别元素处于异常高度富集状态，推测与成煤期与成煤后的构造运动有关，海西期的拉张裂陷导致的地槽区褶皱成山、酸性岩浆的侵入活动、早期燕山运动导致的博格达山发生的挤压隆升以及因其形成的逆冲推覆构造以及后期形成的穿过煤层和深部岩浆热液的深大断裂，都是形成砂墩子井田各金属元素亏损或富集的重要构造地质因素。
5 结论
（1）查明了砂墩子井田中侏罗统西山窑组煤中金属元素富集状态，Ba、Pb、Mo、V、Ni、Zn 处于亏损状态；Co、Be、Ga、W、Li、Cr、Sr、Mn处于正常范围；Cu 处于富集状态；4-1 煤层 Ti 处于高度富集状态，1-1 煤层 Ti 处于异常高度富集状态。该组煤层中伴生的金属元素亏损或富集多与海西期与燕山期地质构造作用相关。
（2）金红石在海西期大量成矿，而后矿体在燕山期在逆推断裂作用下，又成为中侏罗统西山窑组的陆源碎屑岩的输入来源，经风化与沉积，大量金红石微粒矿物沉积于 1-1 与 4-1 煤层中，微观表现为煤层中 Ti 元素在煤层中呈现高度甚至异常高度富集。
（3）砂墩子井田中侏罗统西山窑组煤中 Ti元素高度与异常高度富集，有良好的成矿前景，是三道岭矿区煤中伴生矿产勘查的重点研究方向。
注释
① 崔德广，贾新明，吴江，李成，周亮，丁宇琦，蒲芳强.2017. 新疆哈密市三道岭煤矿区砂墩子井田勘探报告[R]. 乌鲁木齐：新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队.
